Bangų energijos keitikliai
Bangos profilio sekimo keitikliai
Šioje keitiklių klasėje pirmiausia sutelksime dėmesį į Edinburgo universiteto profesoriaus Stepheno Salterio, pavadinto Salter anties kūrėjo vardu, tobulinimą. Techninis pavadinimas toks keitiklis yra svyruojantis sparnas. Konverterio forma užtikrina maksimalų galios ištraukimą (9 pav.).
Iš kairės sklindančios bangos priverčia antis svyruoti. Cilindrinė forma priešingas paviršius užtikrina, kad ataudams svyruojant aplink savo ašį banga nesklistų į dešinę. Galia gali būti pašalinta iš virpesių sistemos ašies taip, kad būtų užtikrintas minimalus energijos atspindys. Atspindėdamas ir perduodamas tik nedidelę bangos energijos dalį (apie 5%), šis prietaisas pasižymi labai dideliu konversijos efektyvumu plačiame jaudinančių virpesių dažnių diapazone (10 pav.).
Iš pradžių Salteris sukūrė gana siauros juostos įrenginio prototipą. Bangų baseine jis sugerdavo iki 90% krintančios energijos. Pirmieji bandymai jūros sąlygoms artimomis sąlygomis buvo atlikti 1977 m. gegužę ežere. Loch Ness. 50 metrų 20 metrų "ančių" girlianda bendra masė 16 t buvo paleistas ir išbandytas 4 mėnesius įvairiuose bangų sąlygos. Tų pačių metų gruodį šis modelis, 1/10 būsimo vandenyno konverterio dydžio, vėl buvo paleistas ir pagamino pirmąją srovę. Per 3 vieno atšiauriausių žiemos periodų mėnesius pirmosios Anglijos bangų jėgainės modelis veikė apie 50 proc.
Tolesnė „Salter“ plėtra skirta suteikti antims gebėjimą atlaikyti smūgius maksimalios bangos ir sukurti gana lanksčios linijos pavidalo pritvirtintą keitiklių girliandą. Daroma prielaida, kad būdingas tikros anties dydis bus maždaug 0,1 l, o tai atitinka 10 m 100 metrų Atlanto vandenyno bangoms Intensyviausių bangų zonoje turėtų būti įrengta kelių kilometrų ilgio ančių gija. į vakarus nuo Hebridų. Visos stoties galia sieks apie 100 MW.
Rimčiausi Salterio ančių trūkumai buvo šie:
Poreikis lėtą svyruojantį judesį perkelti į generatoriaus pavarą;
Poreikis atjungti maitinimą iš tolimojo įrenginio, plūduriuojančio dideliame gylyje;
Dėl didelio sistemos jautrumo bangų krypčiai, norint gauti aukštą konversijos efektyvumą, būtina stebėti jų krypties pokyčius;
Sunkumai montuojant ir montuojant dėl „ančių“ paviršiaus formos sudėtingumo.
Kitas bangų keitiklio su siūbuojančiu elementu variantas yra Cockerell kontūrinis plaustas. Jo modelis, taip pat 1/10 dydžio, buvo išbandytas tais pačiais metais kaip ir Salterio antis Solento sąsiauryje netoli Sautamptono. Kontūrinis plaustas – tai kelių grandžių šarnyrinių sekcijų sistema (11 pav.). Kaip ir canard, jis sumontuotas statmenai bangos frontui ir seka jo profilį.
Išsamūs laboratoriniai 1/100 mastelio plausto modelio tyrimai parodė, kad jo efektyvumas siekė apie 45 proc. Tai yra mažesnė nei Salterio „antys“ (tačiau plaustas pritraukia dar vieną pranašumą: konstrukcijos artumas prie tradicinių laivų statybos). Tokių plaustų gamybai naujų kurti nereikės. pramonės įmonės ir padidins užimtumą laivų statybos pramonėje.
Keitikliai, naudojantys svyruojančio vandens stulpelio energiją
Kai banga atsitrenkia į iš dalies po vandeniu atidarytą ertmę, skysčio stulpelis ertmėje svyruoja, sukeldamas slėgio pokyčius virš skysčio esančiose dujose. Ertmė gali būti sujungta su atmosfera per turbiną. Galima valdyti srautą, kad jis tekėtų per turbiną viena kryptimi, arba galima naudoti Wellso turbiną. Jau žinomi bent du pavyzdžiai komerciniam naudojimuišiuo principu pagrįsti įrenginiai yra signaliniai plūdurai, kuriuos Japonijoje pristatė Masuda (12 pav.), o JK – Belfasto Karalienės universiteto darbuotojai. Didesnį įrenginį, pirmą kartą prijungtą prie tinklo, Toftestollene (Norvegija) pastatė Kvaernor Brug A/S. Pagrindinis svyruojančios kolonėlės veikimo principas parodytas 13 pav. Toftestollen jis naudojamas 500 kilovatų gamykloje, pastatytoje ant uolos krašto. Be to, JK nacionalinė elektros laboratorija (NEL) siūlo tiesioginio montavimo dizainą. jūros dugnas. Pagrindinis svyruojančios vandens stulpelio principu veikiančių prietaisų privalumas yra tas, kad oro greitį prieš turbiną galima žymiai padidinti sumažinus kanalo srauto plotą. Tai leidžia sujungti lėtą bangų judėjimą su aukšto dažnio turbinos sukimu. Be to, čia galima išimti generatorių iš tiesioginio sūraus jūros vandens poveikio zonos.
Povandeniniai prietaisai
Povandeninių prietaisų pranašumai yra tai, kad šie įrenginiai apsaugo nuo audros poveikio keitikliams. Tačiau jų naudojimas padidina sunkumus, susijusius su energijos išgavimu ir priežiūra.
Kaip pavyzdį galime laikyti „Bristol cylinder“ tipo keitiklį, priklausantį įrenginių grupei, veikiančiai veikiant didelio greičio slėgiui bangoje. Oru pripildytas plūduriuojantis korpusas (cilindras), turintis vidutinis tankis 0,6-0,8 t/m 3, tvirtinamas po vandeniu ant žemėje sumontuotų atramų. Cilindras svyruoja bangoje, judėdamas elipsiniu keliu ir aktyvuodamas hidraulinius siurblius, sumontuotus atramose ir konvertuodamas cilindro judėjimo energiją. Jų siurbiamas skystis gali būti tiekiamas vamzdynais į generatoriaus stotį, bendrą keliems cilindrams. Vienas iš „Bristolio cilindro“ idėjos privalumų yra tas, kad sureguliuotas optimaliam dažniui, jis neatspindi energijos iš kitų dažnių, bet leidžia jai sklisti toliau, kur ją gali sugerti kiti keitikliai, pvz., cilindrai su skirtingu dažniu. dažnis.
Judesio perdavimą iš vykdomojo variklio į elektromechaninio modulio išėjimo grandį galima užtikrinti naudojant įvairius judesio keitiklius (krumpliaračius), kurių konstrukcija ir konstrukcijos ypatumai priklauso nuo variklio tipo, darbinio elemento judėjimo tipo ir jų buvimo vietos metodas. Judesio keitikliai turi didelę įtaką visos elektromechaninės sistemos veikimo kokybei.
Projektuojant elektromechaninius modulius, judesio keitiklio tipas parenkamas atsižvelgiant į jo konstrukcijos sudėtingumą, efektyvumą, transmisijos atstumą, gabaritus, svorį, savaiminio stabdymo savybes, standumą, išdėstymo paprastumą, pagaminamumą, kainą ir kt.
Judesio keitiklių paskirtis ir klasifikacija
Judesio keitikliai skirti vieno tipo judesiams paversti kitu, derinant variklio ir darbinio elemento sūkius bei sukimo momentus. Judesiui transformuoti naudojamos krumpliaračių, sliekinių, grandinių, diržinės ir frikcinės transmisijos bei sraigtinės veržlės transmisijos (4.1 pav.). Dėl to, kad elektros variklių kampinis sukimosi greitis, kaip taisyklė, yra daug didesnis nei elektromechaninių modulių darbinių korpusų greitis, judesio keitikliuose naudojamos reduktoriai.
Ryžiai. 4.1. Mechaninių pavarų klasifikacija
judesio keitikliai
Pavaros
Labiausiai paplitę judesio keitikliai yra krumpliaračiai – mechanizmai, perduodantys arba konvertuojantys judesį naudodami pavarą su besikeičiančiais kampiniais greičiais ir sukimo momentais. Tokios transmisijos naudojamos konvertuoti sukamasis judėjimas tarp velenų su lygiagrečiais (4.2 pav., a-d), susikerta (4.2 pav., e-z) ašis, taip pat sukamąjį judesį paversti transliaciniu judesiu ir atvirkščiai (4.2 pav., d).
Ryžiai. 4.2. Pagrindiniai pavarų tipai:
A– cilindro formos su tiesiais dantimis; b– cilindro formos su įstrižais dantimis; V– cilindro formos su ševroniniais dantimis; G– cilindrinė vidinė pavara su tiesiais dantimis; d- stelažas ir krumpliaratis; e– kūginis su tiesiais dantimis; ir– kūginis su liestiniais dantimis; h– kūginis su apskritais dantimis;
Cilindrinių ir kūginių krumpliaračių kinematinė schema parodyta fig. 4.3. Pavaros santykį galima rasti iš įvesties dantų skaičiaus santykio z 1 ir poilsio diena z 2 krumpliaračiais
Pagrindinės mechaninių transmisijų charakteristikos yra galia ant velenų ir W, kampiniai greičiai ir viduje s -1, (arba sukimosi greitis ir in min -1), jėgų momentai ir in , pavaros santykis ir efektyvumas. . Išraiškos, apibūdinančios ryšius tarp pagrindinių krumpliaračių charakteristikų, turi formą 
arba ir , (4.2)
, (4.3)
Arba , (4.4)
arba kai formoje paryškinamas perdavimo nuostolių momentas
. (4.6)
Taip pat reikia pažymėti, kad elektromechaninio modulio elemento, besisukančio greičiu arba judančio greičiu, inercijos momentus galima perkelti į greitį, remiantis kinetinės energijos tvermės dėsniu.
arba 
(4.7)
pagal išraišką
Arba , (4.8)
kur yra judančio kūno masė; – redukcijos spindulys iki veleno su greičiu
Stūmos ir krumpliaračio transmisijai paverčiant sukamąjį judesį į transliacinį judesį, stelažo linijinis greitis bus nustatytas kaip
, , (4.10)
pavaros santykis
, , (4.11)
kur yra pavaros skersmuo mm.
Stūmoklio ir krumpliaračio pavaros santykis gali būti nuo 10 iki 200 m -1. Efektyvumas cilindrinės pavaros yra 0,95...0,99.
Fig. 4.4 paveiksle pavaizduota planetinės pavaros schema. Planetinės pavaros yra krumpliaračiai, kuriuose geometrinė ašis bent viena pavara yra judama. Pagrindiniai planetinės pavaros elementai yra šie:
Apranga nuo saulės 1 (yra centre);
Vežėjas 2 , standžiai fiksuojant kelių planetinių krumpliaračių ašis viena kitos atžvilgiu tokio pat dydžio 3 (palydovai) sujungti su saulės įranga;
Žiedinė pavara 4 (epiciklas), turintis vidinį ryšį su planetinėmis pavaromis.
Naudojant planetinę pavarą kaip pavarų dėžę, vienas iš trijų pagrindinių jos elementų fiksuojamas nejudėdamas, kitas elementas naudojamas kaip pavara, o trečias – kaip varomasis.
Tuo atveju, kai vairuotojas 2 fiksuotas (), o maitinimas tiekiamas per saulės pavarą 1 , planetinės pavaros 3 suksis vietoje greičiu, kurį lemia jų dantų skaičiaus santykis su saulės pavara
Planetinių krumpliaračių sukimasis 3 perduodama į žiedinę pavarą 4 . Jei žiedinė pavara turi dantis, ji suksis dideliu greičiu
Dėl to, jei laikiklis yra užrakintas, bendras sistemos perdavimo skaičius bus lygus
Jei žiedinė krumpliaratis () yra fiksuota ir maitinimas tiekiamas laikikliui, pavaros santykis su saulės pavara bus didesnis nei vienetas ir bus
Planetinės pavaros plačiausiai naudojamos automobilių diferencialuose ir metalo pjovimo staklių kinematinių grandžių sumavimo grandyse. IN šiuolaikiniai įrenginiai kelių planetinių pavarų kaskados gali būti naudojamos norint gauti platų perdavimo skaičių. Daugelis automatinių automobilių pavarų dėžių veikia šiuo principu.
Planetinių pavarų pranašumai, palyginti su įprastomis cilindrinėmis arba kūginėmis pavaromis, yra mažesni jų matmenys ir svoris. Trūkumai: didesnis gamybos tikslumas, didesnis skaičius riedėjimo guoliai.
Norint gauti didelius pavarų skaičius (iki 90 000), naudojami bangų perdavimai (žr. 4.5 pav.). Bangų perdavimas susideda iš standaus fiksuoto elemento - krumpliaračio 1
su vidiniais dantimis, nejudančiais pavaros korpuso atžvilgiu; lankstus elementas - plonasienė elastinga pavara su išoriniais dantimis 2
prijungtas prie išėjimo veleno; bangų generatorius - kumštelis 3
, ekscentrinis ar kitas mechanizmas, tempiantis lankstų elementą tol, kol dviejuose (ar daugiau) taškuose susidaro sujungimo su fiksuotu elementu poros. Lanksčiojo rato dantų skaičius yra keli mažesnis skaičius fiksuoto elemento dantys.
Banginės pavaros veikimo principas parodytas fig. 4.6. Pavyzdžiui, jei lankstaus rato dantų skaičius yra 200, o fiksuoto elemento yra 202, ir yra dviejų bangų perdavimas (dvi iškyšos ant bangų generatoriaus), generatoriui sukant pagal laikrodžio rodyklę, pirmasis dantis lankstus ratas pateks į pirmąją standžiojo ertmę, antrasis į antrąją ir t.t. iki dviejų šimtų danties ir dviejų šimtų ertmės. Kito apsisukimo metu pirmasis lankstaus rato dantis pateks į du šimtus pirmąją ertmę, antrasis - į du šimtus antrą, o trečiasis - į pirmąją standaus rato ertmę. Taigi, viename pilnas apsisukimas bangų generatorius, lankstus ratas pajudės standžiojo atžvilgiu tik 2 dantimis.
Bangų perdavimo nuo bangų generatoriaus veleno iki lankstaus rato veleno perdavimo santykis yra lygus
kur , – atitinkamai standžiosios ir lanksčiosios krumpliaračių dantų skaičius.
Pagrindinis tokių pavarų dėžių trūkumas – mažas efektyvumas. (ne daugiau 70...80%), o taip pat aukštus reikalavimus gamybos tikslumas ir naudojamų medžiagų savybės.
Sliekinė pavara
Sliekinė pavara yra sukimosi tarp susikertančių (dažniausiai viena kitai statmenų) velenų perdavimo mechanizmas. Kai sliekas sukasi 1
(4.7 pav.) jo posūkiai sklandžiai susijungia su krumpliaračio dantimis 2
o pastarąsias įjungti.
Sliekinės pavaros varomoji grandis yra sliekinė, o varomoji jungtis yra sliekinis ratas. Išskirtinis bruožas sliekinė pavara yra savaiminio užsifiksavimo efekto buvimas, t.y. neįmanoma atvirkštinės galios perdavimo iš rato į slieką.
Sliekinės pavaros perdavimo skaičius priklauso nuo sliekų pravažiavimų skaičiaus:
| baigta | |||
ir rato dantų skaičius
Pagrindinis sliekinių pavarų trūkumas yra mažas jų efektyvumas. – 70...80 proc. Dėl šios priežasties jie naudojami mažoms ir vidutinėms galioms perduoti, dažniausiai iki 50 kW, rečiau iki 200 kW.
Lanksčios transmisijos
Lanksčios pavaros yra skirtos perduoti sukamąjį judesį ir paversti sukamąjį judesį slenkančiu ir atvirkščiai. Lanksčios transmisijos apima diržą, grandinę ir trosą.
Diržinės pavaros
Sukimosi perdavimo mechanizmas naudojant lankstų elementą (diržą) dėl trinties jėgų (dantytiems diržams - sujungimo jėgos) vadinamas diržine pavara. Diržinė pavara (žr. 4.8 pav.) susideda iš pavaros 1 ir vergas 2 skriemulius ir ant jų uždėtą diržą 3 . Mechanizmas taip pat gali turėti įtempimo įtaisą 4 ir tvoros (neparodyta 4.8 pav.).
Pavarų skaičius nustatomas pagal varomųjų ir varomųjų skriemulių skersmenų santykį ir, kaip taisyklė, atsižvelgiant į elastingą diržo slydimą išilgai skriemulių
, (4.16)
kuris paprastai imamas .
Efektyvumas diržo pavara yra 90...95%
Pagrindiniai privalumai: gebėjimas dirbti dideliu greičiu, sklandus ir tylus veikimas, dizaino paprastumas ir maža kaina. Juostinės transmisijos trūkumai: didelės jėgos, veikiančios velenus ir atramas, perdavimo santykio kintamumas, trumpas diržų tarnavimo laikas.
Grandininė transmisija
Grandininė pavara (4.9 pav.) – sukimosi tarp lygiagrečių velenų perdavimo mechanizmas, naudojant standžiai prie velenų pritvirtintus krumpliaračius, per kuriuos metama uždara pavaros grandinė.
Grandininės pavaros perdavimo skaičius nustatomas pagal varomųjų ir varomųjų žvaigždžių dantų skaičiaus santykį
Vidutinis greitis grandinę lemia priklausomybė
Kur r- grandinės žingsnis, mm.
Grandininės pavaros yra universalios, paprastos ir ekonomiškos. Palyginti su krumpliaračių pavaromis, jos yra mažiau jautrios velenų padėties netikslumams ir smūgiinėms apkrovoms, leidžia praktiškai neriboti atstumus nuo centro iki centro ir suteikia paprastesnį išdėstymą. Palyginti su diržinėmis pavaromis, joms būdingi šie privalumai: įtempimo nebuvimas ir susiję papildomos apkrovos ant velenų ir guolių; didelis galios perdavimas tiek dideliu, tiek mažu greičiu; išlaikant patenkinamą našumą esant aukštam ir žemos temperatūros; prisitaikymas prie bet kokių dizaino pakeitimų pašalinant arba pridedant nuorodas.
Grandininių pavarų trūkumai yra šie: netolygus važiavimas, kuris didėja mažėjant žvaigždutės dantų skaičiui ir didėjant jungties žingsniui; padidėjęs triukšmas ir grandinės susidėvėjimas dėl netinkamo dizaino pasirinkimo, neatsargaus montavimo ir prastos priežiūros; tepimo poreikis ir tuščiosios eigos šakos nusvirimo pašalinimas, kai grandinė susidėvi.
Kabelio perdavimas
Perduojant kabeliu, sukamojo judesio pavertimas transliaciniu judesiu ir atvirkščiai tarp jungčių (pavaros 1
ir vergas 2
) atliekamas naudojant kabelį 3
(4.10 pav.). Kabeliai pagaminti iš plieninės vielos (dažniausiai cinkuotos).
Kabelio perdavimo metu atskiri kabelio laidai yra tempiami, lenkiami, sukami ir gniuždomi. Iš sąlygos ribojant lenkimo įtempį troselyje randamas minimalus skriemulių skersmuo pagal būklę
, (4.19)
A) ir riedėjimo varžto veržlę (4.11 pav., b). Pagrindiniai perdavimo elementai yra: varžtas 1 ir riešutas 2 .
Stumdomoje poroje efektyvumui padidinti. siekiant sumažinti trinties nuostolius, tarp šių elementų dedami plieniniai rutuliai 3
. Kai varžtas (veržlė) sukasi, rutuliukai rieda išilgai varžtų paviršiai varžtas ir veržlė ir perduodamas sukimasis nuo varžto iki veržlės arba nuo veržlės iki varžto. Rutuliukų judėjimo greitis skiriasi nuo varžto ir veržlės greičio, todėl, siekiant užtikrinti nuolatinę rutuliukų cirkuliaciją, sriegio darbinės dalies galai sujungiami grįžtamuoju kanalu.
Sraigtinės veržlės perdavimo santykis nustatomas taip: m -1:
, , (4.21)
kur linijinis greitis varžtas (veržlė) gali būti skaičiuojamas pagal priklausomybę
, (4.22)
Kur r- sriegio žingsnis, mm; Į– siūlų paleidimų skaičius.
Pramoniniu būdu gaminamose sraigtinėse veržlėse pavarų perdavimo skaičius yra 300…2000 .
Efektyvumas riedėjimo varžto-veržlės transmisija yra 0,85...0,95, o slydimo sraigtinė veržlė yra 0,25...0,6.
Transmisijos pranašumas – didelis judėjimo tikslumas ir mažos metalo sąnaudos. Trūkumas yra mažas efektyvumas. slydimo krumpliaračių ir riedėjimo krumpliaračių gamybos sudėtingumo.
1. Suformuluokite judesio keitiklių apibrėžimą. Kuris mechaninės transmisijos Ar žinote judesio keitiklius? Nurodykite pagrindines mechaninių transmisijų charakteristikas.
2. Prisiminkite pagrindinius visų jums žinomų mechaninių transmisijų privalumus ir trūkumus.
3. Išvardykite pagrindinius pavarų tipus. Paaiškinkite planetinės pavaros veikimo principą.
4. Koks yra sliekinės pavaros savaime užsifiksuojantis poveikis?
Bangos supa mus visur, nes gyvename judesių ir garsų pasaulyje. Kokia banginio proceso prigimtis, kokia banginių procesų teorijos esmė? Pažvelkime į tai naudodami eksperimentinius pavyzdžius.
Bangų samprata fizikoje
Bendra daugelio procesų sąvoka yra garso buvimas. Pagal apibrėžimą garsas yra spartos rezultatas svyruojantys judesiai, kurias sukuria oras ar kita mūsų klausos organų suvokiama terpė. Žinodami šį apibrėžimą, galime pradėti svarstyti „bangos proceso“ sąvoką. Yra daugybė eksperimentų, leidžiančių aiškiai ištirti šį reiškinį.
Fizikoje tiriami bangų procesai gali būti stebimi radijo bangų, garso bangų, suspaudimo bangų pavidalu. balso stygos. Jie plinta oru.
Už vizualinis apibrėžimas sąvokos meta akmenį į balą ir apibūdina efektų plitimą. Tai yra pavyzdys. Atsiranda dėl skysčio pakilimo ir kritimo.
Akustika
Visas skyrius, pavadintas „Akustika“, yra skirtas garso savybių fizikoje studijoms. Išsiaiškinkime, ką tai apibūdina. Susitelkime į reiškinius ir procesus, kuriuose dar ne viskas aišku, į problemas, kurios dar laukia sprendimo.
Akustika, kaip ir kitos fizikos šakos, vis dar turi daug neišspręstų paslapčių. Jie dar turi būti atrasti. Panagrinėkime bangų procesą akustikoje.
Garsas
Ši sąvoka siejama su buvimu, kurį gamina terpės dalelės. Garsas yra virpesių procesų, susijusių su bangų atsiradimu, serija. Suspaudimo ir retėjimo aplinkoje formavimosi procese atsiranda banginis procesas.
Bangos ilgio rodikliai priklauso nuo terpės, kurioje vyksta virpesių procesai, pobūdžio. Beveik visi gamtoje vykstantys reiškiniai yra susiję su garso virpesių buvimu ir garso bangomis, kurios sklinda terpėje.
Bangų proceso nustatymo gamtoje pavyzdžiai
Šie judesiai gali informuoti apie bangų proceso reiškinį. Aukštas dažnis garso bangos gali išplisti tūkstančius kilometrų, pavyzdžiui, įvykus ugnikalnio išsiveržimui.
Žemės drebėjimo metu atsiranda stipri akustinė ir geoakustinė vibracija, kurią galima įrašyti specialiais garso imtuvais.
Povandeninio žemės drebėjimo metu įvyko įdomi ir baisus reiškinys- cunamis, kuris yra didžiulė banga, kuris atsirado galingų požeminių ar povandeninių elementų apraiškų metu.
Dėl akustikos galite gauti informacijos, kad artėja cunamis. Daugelis šių reiškinių žinomi jau seniai. Tačiau kai kurias fizikos sąvokas vis tiek reikia atidžiai išstudijuoti. Todėl norint ištirti dar neįmintas paslaptis, gelbsti garso bangos.
Tektoninė teorija
XVIII amžiuje gimė „katastrofos hipotezė“. Tuo metu sąvokos „elementas“ ir „dėsningumas“ nebuvo siejamos. Tada jie atrado, kad pasaulio vandenynų dugno amžius yra daug jaunesnis nei sausumos, ir šis paviršius nuolat atnaujinamas.
Būtent tuo metu, naujo žvilgsnio į žemę dėka, beprotiška hipotezė išaugo į „litosferos plokščių tektonikos“ teoriją, teigiančią, kad žemės mantija juda, o dangaus skliautas plūduriuoja. Šis procesas panašus į amžinojo ledo dreifo judėjimą.
Norint suprasti aprašytą procesą, svarbu išsivaduoti iš stereotipų ir įprastų pažiūrų, realizuoti kitus būties tipus.
Tolesnė mokslo pažanga
Geologinis gyvenimas žemėje turi savo laiką ir materijos būseną. Mokslui pavyko atkurti panašumą. Vandenyno dugne vyksta nenutrūkstamas judėjimas, kurio metu atsiranda plyšimų ir formuojasi plyšiai, kai į paviršių iškyla nauja medžiaga iš žemės gelmių ir palaipsniui atvėsta.
Šiuo metu procesai vyksta sausumoje, kai ant paviršiaus žemės mantija plaukiojančios kolosalios litosferos plokštės – viršutinis akmeninis žemės apvalkalas, kuriuo teka žemynai ir jūros dugnas.
Tokių plokščių yra apie dešimt. Mantija nerami, todėl litosferos plokštės pradėti judėti. IN laboratorinėmis sąlygomis procesas atrodo kaip elegantiška patirtis.
Gamtoje tai gresia geologine katastrofa – žemės drebėjimu. Priežastis – globalūs konvekciniai procesai, vykstantys žemės gelmėse. Šurmuliavimo rezultatas bus cunamis.
Japonija
Tarp kitų seismiškai pavojingų žemės sričių Japonija užima ypatingą vietą, ši salų grandinė vadinama „ugnies juosta“.
Atidžiai stebint žemės paviršiaus kvėpavimą, galima numatyti artėjančią katastrofą. Norint ištirti virpesių procesus, į žemės storį buvo įvestas itin gilus gręžimo įrenginys. Jis įsiskverbė į 12 km gylį ir leido mokslininkams padaryti išvadas apie tam tikrų uolienų buvimą žemėje.
9 klasėje fizikos pamokose tiriamas elektromagnetinės bangos greitis. Jie rodo eksperimentą su svoriais, esančiais ant vienodas atstumas vienas nuo kito. Jie yra sujungti identiškomis įprasto tipo spyruoklėmis.
Jei pirmąjį svorį perkeliate į dešinę tam tikru atstumu, antrasis kurį laiką išlieka toje pačioje padėtyje, tačiau spyruoklė jau pradeda spausti.
"bangos" apibrėžimas
Kadangi toks procesas įvyko, atsirado tamprumo jėga, kuri stums antrąjį svorį. Jis gaus pagreitį, po kurio laiko padidins greitį, judės šia kryptimi ir suspaus spyruoklę tarp antrojo ir trečiojo svarelių. Savo ruožtu trečiasis gaus pagreitį, pradės greitėti, pasislinks ir paveiks ketvirtąją spyruoklę. Taigi procesas vyks visuose sistemos elementuose.
Tokiu atveju antrosios apkrovos poslinkis įvyks vėliau nei pirmoji. Poveikis visada atsilieka nuo priežasties.
Be to, antrosios apkrovos poslinkis lems trečiojo poslinkį. Šis procesas linkęs plisti į dešinę.
Jei pirmoji apkrova pradeda svyruoti harmonijos dėsnis, tada šis procesas išplis iki antrojo svorio, bet su uždelsta reakcija. Todėl, jei pirmasis svoris svyruos, galite gauti svyravimą, kuris laikui bėgant pasklis erdvėje. Tai yra bangos apibrėžimas.
Bangų rūšys
Įsivaizduokime medžiagą, kurią sudaro atomai, jie yra:
- turėti masę – kaip ir eksperimente pasiūlyti svoriai;
- sujungti, kad sudarytų vientisą sluoksnį cheminiai ryšiai(kaip manoma eksperimente su spyruokle).
Iš to išplaukia, kad materija yra sistema, kuri primena modelį iš patirties. Jis gali plisti Šis procesas yra susijęs su tamprumo jėgų atsiradimu. Tokios bangos dažnai vadinamos „elastingomis“.
Yra dviejų tipų elastinės bangos. Norėdami juos nustatyti, galite paimti ilgą spyruoklę, pritvirtinti ją vienoje pusėje ir ištempti į dešinę. Taip matote, kad bangos sklidimo kryptis yra išilgai spyruoklės. Terpės dalelės pasislenka ta pačia kryptimi.
Tokioje bangoje dalelių virpesių krypties pobūdis sutampa su bangos sklidimo kryptimi. Ši koncepcija vadinama „išilgine banga“.
Jei ištempsite spyruoklę ir suteiksite jai laiko pailsėti, o tada staiga pakeisite jos padėtį vertikalia kryptimi, pamatysite, kad banga sklinda išilgai spyruoklės ir daug kartų atsispindi.
Tačiau dalelių virpesių kryptis dabar yra vertikali, o bangos sklidimas yra horizontalus. Tai skersinė banga. Jis gali egzistuoti tik kietosios medžiagos.
Elektromagnetinės bangos greitis skirtingų tipų skirtinga. Seismologai sėkmingai naudoja šią savybę, kad nustatytų atstumą iki žemės drebėjimo šaltinių.
Kai banga sklinda, dalelės svyruoja išilgai arba skersai, tačiau tai nėra lydima medžiagos pernešimo, o tik judėjimo. Taip rašoma 9 klasės Fizikos vadovėlyje.
Bangos lygties charakteristikos
Bangos lygtis in fizinis mokslas- linijinės hiperbolės tipas diferencialinė lygtis. Jis taip pat naudojamas kitoms sritims, kurias apima viena iš teorinių lygčių, kurios naudojamos skaičiavimams. matematinė fizika. Visų pirma jie aprašo gravitacines bangas. Naudojamas procesams apibūdinti:
- akustikoje, kaip taisyklė, linijinis tipas;
- elektrodinamikoje.
Skaičiuojant vienalytės bangos lygties daugiamačiu atveju atvaizduojami bangų procesai.
Skirtumas tarp bangos ir virpesių
Įspūdingi atradimai atsiranda galvojant apie įprastą reiškinį. Galilėjus naudojo savo širdies plakimą kaip laiko etaloną. Taip buvo atrastas švytuoklės svyravimo proceso pastovumas – vienas pagrindinių mechanikos principų. Jis skirtas absoliučiai tik matematinė švytuoklė- ideali svyravimo sistema, kuriai būdingos:
Norint išvesti sistemą iš pusiausvyros, būtina svyravimų atsiradimo sąlyga. Tokiu atveju perduodama tam tikra energija. Įvairūs osciliacinės sistemos reikalaujama įvairių tipų energijos.
Virpesiai – tai procesas, kuriam būdingas nuolatinis sistemos judesių ar būsenų pasikartojimas tam tikru laikotarpiu. Vizualinis demonstravimas svyruojantis procesas yra siūbuojančios švytuoklės pavyzdys.
Virpesių ir bangų procesai stebimi beveik visose gamtos reiškiniai.
Banga turi trikdyti arba keisti terpės būseną, sklinda erdvėje ir nešančią energiją nereikia perduoti medžiagos. Tai išskirtinė savybė bangų procesai, fizikoje jie tyrinėjami jau seniai. Tirdami galite išskirti bangos ilgį.
Garso bangos gali egzistuoti visose sferose, jos neegzistuoja tik vakuume. Ypatingos savybės turėti elektromagnetines bangas. Jie gali egzistuoti visur, net ir vakuume.
Bangos energija priklauso nuo jos amplitudės. Žiedinė banga, sklindanti iš šaltinio, išsklaido energiją erdvėje, todėl jos amplitudė greitai mažėja.
Linijinė banga turi įdomių savybių. Jo energija erdvėje neišsisklaido, todėl tokių bangų amplitudė mažėja tik dėl trinties jėgos.
Bangos sklidimo kryptis pavaizduota spinduliais – linijomis, kurios statmenos bangos frontui.
Kampas tarp krintančio spindulio ir normalaus yra Tarp normalaus ir atsispindėjusio spindulio – atspindžio kampas. Šių kampų lygybė išlaikoma bet kurioje kliūties padėtyje bangos fronto atžvilgiu.
Kai susitinka viena kryptimi judančios bangos priešingomis kryptimis, gali susidaryti stovi banga.
Rezultatai
Terpės dalelės tarp gretimų mazgų stovinti banga svyruoti toje pačioje fazėje. Tai yra banginio proceso parametrai, įrašyti bangų lygtys. Kai bangos susitinka, galima stebėti jų amplitudės padidėjimą ir mažėjimą.
Žinant pagrindines bangavimo proceso charakteristikas, galima nustatyti susidariusios bangos amplitudę tam tikrame taške. Nustatykime, kokioje fazėje banga iš pirmojo ir antrojo šaltinių pasieks šį tašką. Be to, fazės yra priešingos.
Jei smūgių skirtumas yra nelyginis skaičius pusbangių, susidariusios bangos amplitudė šiame taške bus minimali. Jei kelio skirtumas yra lygus nuliui arba sveikasis bangos ilgių skaičius, susitikimo taške bus stebimas gautos bangos amplitudės padidėjimas. Tai yra tada, kai pridedamos bangos iš dviejų šaltinių.
Dažnis elektromagnetines bangas užfiksuotas šiuolaikinės technologijos. Priėmimo įrenginys turi aptikti silpnas elektromagnetines bangas. Jei įdėsite atšvaitą, į imtuvą pateks daugiau bangų energijos. Atšvaito sistema sumontuota taip, kad priimančiame įrenginyje sukurtų maksimalų signalą.
Pagrindinės bangų proceso ypatybės šiuolaikinės idėjos apie šviesos prigimtį ir materijos sandarą. Taigi, studijuojant juos naudojant 9 klasės fizikos vadovėlį, galima sėkmingai išmokti spręsti mechanikos srities uždavinius.
Šiame skyriuje aptarsime naują reiškinį – bangas. Apie bangas dažnai daug diskutuojama fizikoje, ir mes turime sutelkti savo dėmesį į šį klausimą ne tik todėl, kad svarstysime ypatingas pavyzdys bangos – garsas, bet ir todėl, kad bangų procesai turi daug kitų pritaikymų visose fizikos srityse.
Tyrinėdami harmoninį osciliatorių, jau pastebėjome, kad yra ir mechaninių, ir elektrinių virpesių sistemų pavyzdžių. Bangos yra glaudžiai susijusios su virpesių sistemomis, tačiau bangos judėjimas nėra tik svyravimas ši vieta, priklausomai nuo laiko, bet ir judėjimo erdvėje.
Mes jau iš tikrųjų ištyrėme bangas. Kai kalbėjome apie bangų savybėsšviesa, pasukome ypatingas dėmesysį erdvinius tokio pat dažnio bangų trukdžius nuo įvairių šaltinių esančios skirtingose vietose. Yra dar du svarbūs reiškiniai, kurių nepaminėjome ir kurios būdingos tiek šviesai, t.y. elektromagnetinėms bangoms, tiek bet kuriai kitai bangų judėjimo formai. Pirmasis iš jų – trukdžių fenomenas, bet ne erdvėje, o laike. Kai iš karto klausomės dviejų šaltinių garsų, o jų dažniai šiek tiek skiriasi, gauname arba abiejų bangų keteras, arba vienos bangos keterą ir kitos duburį (47.1 pav.). Garsas arba didėja, arba mažėja, atsiranda dūžiai arba, kitaip tariant, atsiranda trukdžių laike. Antrasis reiškinys – bangų judėjimas uždarame tūryje, kai bangos atsispindi nuo vienos ar kitos sienos.
Fig. 47.1. Dviejų šaltinių, kurių dažnis šiek tiek skiriasi, garso trukdžiai laikui bėgant sukelia ritmus.
Visus šiuos efektus, žinoma, būtų galima apsvarstyti naudojant elektromagnetinių bangų pavyzdį. To nepadarėme dėl to, kad viename pavyzdyje nesijaustume bendras reiškiniai, būdingi įvairiems procesams. Norėdami pabrėžti bangų sąvokos bendrumą už elektrodinamikos rėmų, čia apsvarstysime kitą pavyzdį - garso bangas.
Yra ir kitas pavyzdys – jūros bangos bėga į krantą, arba nedideli vandens raibuliukai. Be to, kietosiose medžiagose yra dviejų tipų elastinės bangos: suspaudimo bangos (arba išilginės bangos), kuriose kūno dalelės svyruoja pirmyn ir atgal bangos sklidimo kryptimi ( garso vibracijos būtent tokio tipo dujose) ir skersinės bangos, kai kūno dalelės svyruoja statmenai bangos judėjimo krypčiai. Žemės drebėjimų metu dėl žemės plutos dalies judėjimo elastinės bangos abiejų tipų.
Ir galiausiai, yra kitos rūšies bangos, kurios mums suteikia šiuolaikinė fizika. Tai bangos, lemiančios dalelės radimo tam tikroje vietoje tikimybės amplitudę - „materijos bangas“, apie kurias jau kalbėjome. Jų dažnis yra proporcingas energijai, o bangų skaičius yra proporcingas impulsui. Šios bangos randamos kvantinėje mechanikoje.
Šiame skyriuje nagrinėsime tik tas bangas, kurių greitis nepriklauso nuo bangos ilgio. Tokių bangų pavyzdys yra šviesos sklidimas vakuume. Šviesos greitis šiuo atveju yra vienodas radijo bangoms, mėlynai ir žaliai šviesai ir apskritai bet kokio bangos ilgio šviesai. Štai kodėl, aprašydami bangų reiškinius, iš pradžių nepastebėjome paties bangos sklidimo fakto. Vietoj to sakėme, kad jei perkelsime krūvį į tam tikrą tašką, elektrinis laukas per atstumą bus proporcingas krūvio pagreičiui, bet ne laiko momentu, o ankstesniu laiko momentu. Todėl paskirstymas elektrinis laukas erdvėje tam tikru laiko momentu, kaip parodyta Fig. 47.2, po kurio laiko pajudės atstumu. Išreikšdami matematiškai, galime pasakyti, kad nagrinėjamu vienmačiu atveju elektrinis laukas yra funkcija. Iš to aišku, kad kai paaiškėja, kad tai yra tik funkcija. Jei imsime daugiau vėlyvas momentas laiko ir šiek tiek padidinus gauname tą pačią lauko reikšmę. Pavyzdžiui, jei lauko maksimumas atsiranda momentu ir momentu , tada maksimumo padėtis laiku randama iš lygybės
Matome, kad tokia funkcija atitinka bangos sklidimą.
Taigi, funkcija apibūdina bangą. Viską, kas buvo trumpai pasakyta, galime užrašyti taip:
Jeigu . Žinoma, yra ir kita galimybė, kai šaltinis skleidžia bangas ne į dešinę, kaip parodyta Fig. 47.2, ir į kairę, kad bangos judės link neigiamų. Tada bangos sklidimas būtų aprašytas funkcija .
Fig. 47.2. Apytikslis elektrinio lauko pasiskirstymas tam tikru momentu (a) ir elektrinio lauko pasiskirstymas po tam tikro laiko (b).
Gali atsitikti ir taip, kad erdvėje vienu metu juda kelios bangos, o tada elektrinis laukas yra visų laukų suma ir visos jos sklinda nepriklausomai. Šią elektrinių laukų savybę galima išreikšti taip: tegul ji atitinka vieną bangą, o a – kitą, tada jų suma taip pat apibūdina tam tikrą bangą. Šis teiginys vadinamas superpozicijos principu. Tai pasakytina ir apie garso bangas.
Gerai žinome, kad garsai suvokiami tokia seka, kokia juos sukuria šaltinis. O jeigu aukšti dažniai sklinda greičiau nei žemi, tada vietoj muzikos garsų girdėtume aštrų ir staigų triukšmą. Panašiai, jei raudona šviesa sklinda greičiau nei mėlyna, baltos šviesos blyksnis būtų raudonas, tada baltas ir galiausiai mėlynas. Puikiai žinome, kad taip iš tikrųjų nebūna. Ir garsas, ir šviesa juda oru greičiu, kuris beveik nepriklauso nuo dažnio. Bangos judėjimo pavyzdžiai, kai šis principas netaikomas, bus aptarti skyriuje. 48.
Šviesai (elektromagnetinėms bangoms) gavome formulę, kuri nustato elektrinį lauką tam tikrame taške, kuris atsiranda pagreitėjus įkrovimui. Atrodytų, kad dabar mums belieka panašiai nustatyti kai kurias oro charakteristikas, tarkime, slėgį duotas atstumas nuo šaltinio per šaltinio judėjimą ir atsižvelgti į garso sklidimo vėlavimą.
Šviesos atveju toks požiūris buvo priimtinas, nes visos mūsų žinios susidarė į tai, kad krūvis vienoje vietoje veikia tam tikra jėga kitoje vietoje. Sąveikos plitimo iš vieno taško į kitą detalės buvo visiškai nesvarbios. Tačiau garsas, kaip žinome, sklinda oru iš šaltinio į ausį, todėl natūralu paklausti, koks oro slėgis yra bet kuriuo momentu. Be to, norėčiau tiksliai žinoti, kaip oras juda.
Kalbant apie elektrą, galėtume tikėti taisykle, nes dar nebuvome ištyrę elektros dėsnių, tačiau garsui taip nėra. Mums neužtenka suformuluoti dėsnį, nustatantį garso slėgio sklidimą ore; šis procesas turi būti paaiškintas remiantis mechanikos dėsniais. Trumpai tariant, garsas yra mechanikos dalis ir turi būti paaiškintas naudojant Niutono dėsnius. Garso sklidimas iš vieno taško į kitą yra tiesiog dujų mechanikos ir savybių pasekmė, jei garsas sklinda dujose, arba skysčių ir kietųjų medžiagų savybių, jei garsas praeina per šias terpes. Vėliau taip pat išvesime šviesos savybes ir jos bangų judėjimą iš elektrodinamikos dėsnių.
Bangų energija yra energijos šaka, susijusi su energijos gavimu iš jūros bangos. Gauta energija gali būti naudojama gėlinimui, vandens siurbimui ir elektros energijos gamybai.
Pirmasis prietaiso, skirto energijai iš jūros bangų gauti, patentas buvo išduotas 1799 m. Paryžiuje. Pirmasis bangų energijos gaudymo įrenginys buvo pastatytas 1910 m.
Per 1973 m. naftos krizę bangų energija sulaukė ypatingo dėmesio. Naujų prietaisų kūrimą atliko mokslininkai iš Norvegijos Technologijos institutas, Bristolio universitetas ir Lankasterio universitetas.
Naftos kainoms stabilizavus, mokslinių tyrimų finansavimas sumažėjo.
Pirmoji eksperimentinė bangų jėgainė pastatyta Portugalijoje, jos galia apie 2 MW.
Pagrindiniai jėgainės elementai – trys „Pelamis P-750“ keitikliai, kurie išlinksta veikiami bangų. Specialūs stūmokliai tiekia alyvą į hidraulinius variklius, varančius elektros generatorius.
Ateityje planuojama elektrinę plėsti statant naujus keitiklius.
Pasak mokslininkų, bendras bangų energijos potencialas visame pasaulyje yra apie 2 TW. Perspektyviausi yra: vakarinė pakrantė Europa, Australija, Naujoji Zelandija, šiaurinė pakrantė JK. Taip pat kai kurios Šiaurės ir Pietų Amerikos pakrantės.
Problemos, kurias gali sukelti bangų energijos naudojimas, tiriamos. Bangų energija gali turėti neigiamas poveikis apie vietinę florą ir fauną. Taip pat bangų keitikliai sukelti triukšmą, kuris gali neigiamai paveikti žvejybą.
Banginei elektrai gaminti naudojami įvairūs keitikliai, štai keli iš jų:
Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų kooperatyvas finansuoja plūdurų pagrindu sukurtą bangų parką Oregone. Plūduro virpesiai nuo bangų perduodami į specialų generatorių. Elektra perduodama povandenine perdavimo linija. Plūdurai skirti montuoti 8 mylių atstumu nuo kranto.
Suomijoje pastatyta bangų elektrinė su WaveRoller keitikliais. Tai nedideli plaustai su inkaru. Veikiami bangoms, jie siūbuoja, perduodami energiją stūmokliniam siurbliui.
Danijoje elektrinė su Dragon tipo keitikliais pastatyta 2003 m. Jie atstovauja dirbtiniai rezervuarai vandenyno viduryje, esančioje virš vandens lygio. Grįždamas, veikiamas gravitacijos, vanduo teka per hidraulines turbinas.
Šiuo metu bangų energiją kuria kai kurios šalys.
